破译大脑“睡与醒”的切换密码：空天院王蜜霞、蔡新霞联合浙大虞燕琴和瑞金罗艳团队交叉合作研发新型双模植入式脑机接口，同步捕捉神经电与化学信号

研究背景

破译睡眠-觉醒周期的动态神经机制，是神经科学领域的世界级前沿难题。睡眠作为维持大脑稳态、支持认知功能的核心生理过程，关键依赖特定脑区中神经元电活动与神经化学信号的精细协同。而伏隔核作为奖赏与动机环路的重要节点，其内部的多巴胺动态与神经元放电模式，正是调控睡眠阶段转换的核心生物学基础。

然而，现有的神经传感技术在实现电生理与神经化学信号的原位同步检测方面仍面临显著局限。尽管已有研究尝试将电化学功能集成于微电极阵列以实现同步采集，但现有集成方案仍存在两大技术瓶颈：其一，系统普遍依赖于外部植入的参比电极，其尺寸较大、植入创伤显著，且长期稳定性较差，严重影响器件的生物相容性与信号可靠性；其二，传统修饰方法多采用整体性涂层策略，易导致不同功能位点之间发生信号串扰，难以同时实现高灵敏度的神经化学检测与高保真度的电生理记录。这些根本性缺陷制约了在体神经功能耦合数据的质量与稳定性，也阻碍了对睡眠等复杂状态下神经环路机制的深入解析及相关干预策略的转化探索。

在此背景下，亟需研发一款能长期、稳定地同步捕获自由活动动物特定脑区电生理与神经化学信号的新型双模脑机接口核心微器件。这一技术突破不仅对揭开睡眠神经调控机制的神秘面纱具有重要科学价值，更为睡眠障碍及相关神经精神疾病的精准诊疗，提供了核心技术支撑和清晰的转化路径。

研究进展

团队成功研制出一种靶向修饰的三电极集成式多通道微电极阵列。该器件采用靶向功能化策略，为集成三电极系统的不同功能位点赋予专一性能：多巴胺检测工作电极修饰PtNPs/PEDOT:PSS/Nafion复合材料，显著提升选择性与灵敏度；电生理记录电极修饰PtNPs/PEDOT:PSS，有效降低阻抗、优化信号质量；参比电极采用IrOx修饰，大幅增强其在体长期稳定性（图1）。该设计在单一探针上实现了高性能电化学检测与电生理记录的有机融合。

图2展示了不同位点修饰后的形貌特征。扫描电镜结果显示，通过靶向修饰策略，各功能位点之间形貌区分清晰，未出现材料交叉覆盖现象。特别是在电化学位点成功构筑了Nafion覆盖层，而相邻的电生理记录位点保持洁净，证实该策略在微米尺度上实现了功能涂层的空间选择性控制。参比电极表面则形成了典型的IrOx多孔结构，展现出适于稳定电位响应的电化学界面形貌。

在完成器件制备与体外性能标定后，研究进一步在自由活动小鼠模型中同步采集了睡眠-觉醒周期中的多巴胺动态与神经活动（图3）。结果显示，多巴胺释放在清醒期达到峰值，在非快速眼动睡眠期降至最低，并在从快速眼动睡眠向清醒过渡时出现最为显著的浓度跃升，表明多巴胺在驱动睡眠状态转换中扮演关键角色。

进一步对神经元放电活动的分析成功识别出三类功能特异的细胞群体，分别为REM休眠神经元（RINs）、REM稳定神经元（RSNs）和REM节律神经元（RRNs）（图4）。其中，RSNs与RRNs在清醒期表现出最高的放电频率，而在非快速眼动睡眠期活跃度显著降低。值得注意的是，这两类神经元的放电动态与多巴胺释放水平呈现出高度同步的变化趋势：多巴胺浓度在清醒期达到峰值（1.27 ± 0.12 μM），在非快速眼动睡眠期降至最低（0.71 ± 0.04 μM），并在从快速眼动睡眠向清醒过渡时出现显著跃升。这种神经电活动与神经化学信号在时间上的高度协同，为阐释多巴胺能系统与特定神经元群体在睡眠-觉醒周期调控中的耦合机制提供了直接实验证据。

未来展望

本研究基于靶向修饰的新型三电极集成式微电极阵列，构建出突破性的双模态同步传感技术平台，成功实现了脑深部核团电生理信号与神经化学动态的原位同步监测。该平台通过特异性靶向修饰策略，在工作电极、参比电极和记录电极表面分别构建功能特异的纳米复合材料界面，精准攻克了传统电极长期稳定性不足、信号选择性差的核心技术瓶颈。这一突破不仅为解析睡眠 - 觉醒调控神经机制提供了关键技术工具，更拓宽了帕金森病、抑郁症等神经精神疾病在体机制研究与药物评价的路径。

在应用层面，模块化设计展现出巨大潜力：通过调整靶向修饰策略，可拓展至谷氨酸、5 - 羟色胺等多种神经递质的特异性监测，实现从双模态到多模态的跨越。这种同步捕获神经电与多类化学信号的集成传感方案，为深脑环路实时解析、智能脑机接口效能提升及神经调控治疗精准评估提供了全新技术方向，未来将在基础神经科学与临床诊疗领域产生深远影响。

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0944